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        垂直攀爬清潔機(jī)器人

        2016-08-15 15:58:20李曉飛趙曉芳天津理工大學(xué)天津300384
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年16期
        關(guān)鍵詞:氣泵真空泵底盤

        李 娜,李曉飛,趙曉芳(天津理工大學(xué),天津 300384)

        垂直攀爬清潔機(jī)器人

        李 娜,李曉飛,趙曉芳
        (天津理工大學(xué),天津 300384)

        垂直攀爬清潔機(jī)器人是行走在光滑墻壁或者玻璃上的一種機(jī)器人。本設(shè)計(jì)是基于普通機(jī)器人的基礎(chǔ)上研究出的一種在豎直平面上行走并且作業(yè)的機(jī)器人。本設(shè)計(jì)由單片機(jī)控制行走及作業(yè),將編好的程序提前輸入單片機(jī)中,這樣可以實(shí)現(xiàn)無人操作。本設(shè)計(jì)由吸盤作為機(jī)器人的四肢行走,吸盤主軸連接步進(jìn)電機(jī),主體連接氣泵,氣泵抽氣放氣完成吸盤的吸附或行走。它可以應(yīng)用家庭中做家務(wù)或者企業(yè)大廈的物業(yè)打掃中。現(xiàn)在市場上已有這類產(chǎn)品胡生產(chǎn),但并不完善。垂直攀爬機(jī)器人的研究涉及到控制、傳感、避障等。此外,還涉及將機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化到最節(jié)省空間的諸多知識(shí)。

        垂直攀爬;步進(jìn)電機(jī);氣泵;吸盤

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.250

        1 整體設(shè)計(jì)

        垂直攀爬清潔機(jī)器人項(xiàng)目編號(hào)為201410060040的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于它的爬行結(jié)構(gòu),它的爬行路線是由使用者自己決定的。因?yàn)檫@種機(jī)器人是在豎直平面上爬行,所以它的重量一定要盡可能的輕,否則吸力小于重力使機(jī)器人墜落。當(dāng)設(shè)計(jì)垂直攀爬清潔機(jī)器人時(shí)既要達(dá)到要求又要使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,盡量精簡所需的元器件,讓整個(gè)機(jī)器人顯得靈巧。這樣也能保證操作方便。采用亞克板作為底盤裝載其他元器件,并且其他部分需要固定在亞克板上,這樣 當(dāng)垂直攀爬機(jī)器人在豎直平面上行走時(shí)才不會(huì)散落。垂直攀爬清潔機(jī)器人的行走結(jié)構(gòu)由吸盤充當(dāng)。吸附方式采用吸盤真空吸附,在光滑的平面上這種方式最為安全可靠。整個(gè)亞克板底盤為邊長35厘米的正方形,在正方形中間有一個(gè) 直徑為10厘米的圓形孔,整個(gè)底盤上還有四個(gè)長為15厘米的長方形孔條,這是整個(gè)機(jī)器人可行動(dòng)的軌道,這個(gè)長方形軌道的寬比吸盤上面的主軸直徑大0.5厘米。之所以有四個(gè)軌道是因?yàn)檫@樣可以使機(jī)器人上下左右自由爬行。

        2 吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        我們用真空泵來抽吸盤內(nèi)腔中的空氣。在氣泵抽氣口處因?yàn)橛型饨绱髿鈮旱淖饔茫瑢怏w擠入或放出氣泵內(nèi)。真空泵操作安裝時(shí)簡單方便,使用壽命長,體積小。選用美國HTC公司的D87-23-01的真空泵,它集無刷電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器于一體,整個(gè)氣泵小巧,重量也是在可以接受的范圍內(nèi)。

        真空吸盤座穿過底盤,吸盤留在底盤下面撐起底盤,真空吸盤座上的進(jìn)出氣口通過PU管和電磁閥與氣泵相連接構(gòu)成吸附件。吸盤的位置在底盤上的軌道內(nèi)移動(dòng),吸盤座上的主軸卡在軌道內(nèi),再由螺母扣緊,螺母在底盤上部,這樣就達(dá)到了真空吸盤與底盤的結(jié)合。真空泵將吸盤中的空氣抽干,吸盤內(nèi)腔呈真空狀態(tài),這樣使垂直攀爬機(jī)器人緊緊地吸附在墻壁上。電磁閥相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)的作用可以將兩個(gè)連接在氣泵同一個(gè)抽氣孔分開。經(jīng)過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),垂直攀爬機(jī)器人能否安全地貼在墻壁上與吸盤的布局有一定的關(guān)系。如果是四個(gè)吸盤的話,他們的位置要是對(duì)稱的才好。當(dāng)垂直攀爬機(jī)器人準(zhǔn)備移動(dòng)時(shí),四個(gè)吸盤都吸附在墻壁上,舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0度。向上移動(dòng)時(shí)四個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)45度,撐起底盤,左右兩個(gè)吸盤松開墻壁并進(jìn)行移動(dòng)。移動(dòng)完成后再次吸附住墻壁,四個(gè)吸盤全部吸附好后,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)左右連個(gè)移動(dòng)結(jié)構(gòu)再次啟動(dòng),因?yàn)槲P都吸附住不能動(dòng),這次就是機(jī)器人整體移動(dòng)。當(dāng)垂直攀爬機(jī)器人向左或向右移動(dòng)時(shí),原理相同,只是不同的吸盤移動(dòng)。機(jī)器人就是這樣自由移動(dòng)的。

        3 硬件設(shè)計(jì)

        本設(shè)計(jì)的移動(dòng)結(jié)構(gòu)最重要的一個(gè)元件就是電機(jī)。在垂直攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)中,我們選用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)可以把脈沖變量轉(zhuǎn)換成角變量的電氣機(jī)械。因此一定要用脈沖控制步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)有電源一定要帶脈沖才能啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī);還有就是步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制器組成的開環(huán)控制系統(tǒng),方便容易,調(diào)速與性能良好,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,自啟動(dòng)能力強(qiáng)。

        檢測垂直攀爬機(jī)器人是否到達(dá)指定地點(diǎn)的方法就是用超聲波傳感器測距。原理就是首先超聲波傳感器發(fā)射一縷高頻聲波,一碰到墻壁時(shí)高頻音波會(huì)被反彈回來并被接收到,再通過把聲波去回所用的總時(shí)間乘以超聲波傳播的速度就可以獲得墻壁相對(duì)于物體的距離。超聲波對(duì)固體和液體的穿透力很大,可以穿過很深深度。這種傳感器本身測量準(zhǔn)確、無接觸、放水、防腐蝕、成本少等特點(diǎn)。

        在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)中,要要監(jiān)控它的速度變化。加速度傳感器有兩種一個(gè)是線加速度傳感器另一種是角加速度傳感器,機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是直線的,所以我們計(jì)算線加速度。直線運(yùn)動(dòng)也可以通過公式轉(zhuǎn)換程旋轉(zhuǎn)速度間接測量。旋轉(zhuǎn)式加速度傳感器與機(jī)器人直接接觸,當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦力,就會(huì)帶動(dòng)傳感器的滾輪轉(zhuǎn)動(dòng),在滾輪上的脈沖裝置,發(fā)出一簇的脈沖每個(gè)脈沖代表著一定的間隔,這樣就能測出加速度。 加速度傳感器還可以讓我們了解機(jī)器人它是在加速度向上還是勻速向下或者是否停下來。

        按鍵和顯示屏是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的一種基本形式,兩種接口設(shè)計(jì)會(huì)影響到人機(jī)接口。在垂直攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)中,人機(jī)接口是重要的一環(huán)。顯示頻可以顯示機(jī)器人現(xiàn)在的電量、速度和路程;按鍵可以控制機(jī)器人開始運(yùn)動(dòng)以及其他功能開始工作。在對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行各種操作時(shí),人與機(jī)器的對(duì)話是非常重要的,人機(jī)接口界面可以實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器之間的交流。通過按鍵將所需要信號(hào)與信息輸入給系統(tǒng),想的結(jié)果在顯示屏上顯示出來,這樣就完成了人與機(jī)器的交流的目的。

        [1]張?jiān)?國內(nèi)外壁面移動(dòng)式機(jī)器人的發(fā)展概況[J].唐山工程技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),1994(01).

        [2]劉淑霞.壁面清洗機(jī)器人控制技術(shù)的研究[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2004.

        [3]王炎.爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景[M].科技研究,2007.

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